Gran Teoría Unificada

La Gran Teoría Unificada ( GUT ) es cualquier modelo de física de partículas que fusiona las fuerzas electromagnética , débil y fuerte (las interacciones de tres calibres del modelo estándar ) en una sola fuerza a altas energías . Aunque esta fuerza unificada no se ha observado directamente, muchos modelos GUT teorizan sobre su existencia. Si la unificación de estas tres interacciones es posible, surge la posibilidad de que hubo una gran época de unificación en el universo primitivo en la que estas tres interacciones fundamentales aún no eran distintas.

Los experimentos han confirmado que a alta energía, la interacción electromagnética y la interacción débil se unifican en una única interacción electrodébil combinada . ^[1] Los modelos GUT predicen que a energías aún mayores , las interacciones fuertes y electrodébiles se unificarán en una interacción electronuclear. Esta interacción se caracteriza por una simetría de calibre mayor y, por tanto, por varios portadores de fuerza , pero por una constante de acoplamiento unificada . Unificar la gravedad con la interacción electronuclear proporcionaría una teoría del todo (TOE) más completa en lugar de una Gran Teoría Unificada. Por lo tanto, los GUT a menudo se consideran un paso intermedio hacia un TOE.

Se espera que las nuevas partículas predichas por los modelos GUT tengan masas extremadamente altas (alrededor de la escala GUT de GeV (sólo tres órdenes de magnitud por debajo de la escala de Planck de GeV)) y, por lo tanto, están mucho más allá del alcance de cualquier experimento previsto en un colisionador de hadrones de partículas . Por lo tanto, las partículas predichas por los modelos GUT no podrán observarse directamente y, en cambio, los efectos de la gran unificación podrían detectarse a través de observaciones indirectas de lo siguiente: $10^{16}$ $10^{19}$

desintegración de protones ,
momentos dipolares eléctricos de partículas elementales ,
o las propiedades de los neutrinos . ^[2]

Algunos GUT, como el modelo de Pati-Salam , predicen la existencia de monopolos magnéticos .

Si bien se podría esperar que los GUT ofrezcan más simplicidad que las complicaciones presentes en el modelo estándar , los modelos realistas siguen siendo complicados porque necesitan introducir campos e interacciones adicionales, o incluso dimensiones adicionales del espacio, para reproducir las masas de fermiones y los ángulos de mezcla observados. Esta dificultad, a su vez, puede estar relacionada con la existencia ^{[ se necesita aclaración ]} de simetrías familiares más allá de los modelos GUT convencionales. Debido a esto y a la falta de cualquier efecto observado de la gran unificación hasta el momento, no existe un modelo GUT generalmente aceptado.

Los modelos que no unifican las tres interacciones usando un grupo simple como simetría de calibre, pero lo hacen usando grupos semisimples, pueden exhibir propiedades similares y, a veces, también se les conoce como Grandes Teorías Unificadas.

Problema no resuelto en física :

¿Están unificadas las tres fuerzas del Modelo Estándar en altas energías? ¿Por qué simetría se rige esta unificación? ¿Puede la Teoría de la Gran Unificación explicar el número de generaciones de fermiones y sus masas?

(más problemas sin resolver en física)

Historia

Históricamente, el primer GUT verdadero, que se basó en el grupo de Lie simple $SU(5)$ , fue propuesto por Howard Georgi y Sheldon Glashow en 1974. ^[3] El modelo de Georgi-Glashow fue precedido por el modelo semisimple de álgebra de Lie de Pati-Salam. por Abdus Salam y Jogesh Pati también en 1974, ^[4] quienes fueron pioneros en la idea de unificar las interacciones de calibre.

El acrónimo GUT fue acuñado por primera vez en 1978 por los investigadores del CERN John Ellis , Andrzej Buras , Mary K. Gaillard y Dimitri Nanopoulos ; sin embargo, en la versión final de su artículo ^[5] optaron por el menos anatómico GUM (Grand Unification Mass). Más tarde ese año, Nanopoulos fue el primero en utilizar ^[6] el acrónimo en un artículo. ^[7]

Motivación

El hecho de que las cargas eléctricas de electrones y protones parezcan cancelarse entre sí exactamente con extrema precisión es esencial para la existencia del mundo macroscópico tal como lo conocemos, pero esta importante propiedad de las partículas elementales no se explica en el modelo estándar de física de partículas. . Mientras que la descripción de interacciones fuertes y débiles dentro del Modelo Estándar se basa en simetrías de calibre regidas por los grupos de simetría simples $SU(3)$ y $SU(2)$ que sólo permiten cargas discretas, el componente restante, la interacción de hipercarga débil , se describe mediante una simetría abeliana $U (1)$ que en principio permite asignaciones de carga arbitrarias. ^{[nota 1] La}cuantificación de carga observada , es decir, la postulación de que todas las partículas elementales conocidas llevan cargas eléctricas que son múltiplos exactos de un tercio de la carga "elemental" , ha llevado a la idea de que las interacciones de hipercarga y posiblemente las interacciones fuertes y débiles podría estar integrado en una gran interacción unificada descrita por un único grupo de simetría simple más grande que contiene el modelo estándar. Esto predeciría automáticamente la naturaleza y los valores cuantificados de todas las cargas de partículas elementales. Dado que esto también da como resultado una predicción de las fuerzas relativas de las interacciones fundamentales que observamos, en particular, el ángulo de mezcla débil , la gran unificación idealmente reduce el número de parámetros de entrada independientes pero también está limitada por las observaciones.

La gran unificación recuerda la unificación de fuerzas eléctricas y magnéticas realizada por la teoría de campos del electromagnetismo de Maxwell en el siglo XIX, pero sus implicaciones físicas y estructura matemática son cualitativamente diferentes.

Unificación de partículas de materia.

SU(5)

$SU(5)$ es el GUT más simple. El grupo de Lie simple más pequeño que contiene el modelo estándar y en el que se basó la primera Gran Teoría Unificada es

{\rm {SU(5)\supset SU(3)\times SU(2)\times U(1)}}

Estas simetrías de grupo permiten la reinterpretación de varias partículas conocidas, incluidos los fotones, los bosones W y Z y los gluones, como diferentes estados de un solo campo de partículas. Sin embargo, no es obvio que las elecciones más simples posibles para la simetría extendida "Gran Unificada" deban producir el inventario correcto de partículas elementales. El hecho de que todas las partículas de materia actualmente conocidas encajen perfectamente en tres copias de las representaciones de grupo más pequeñas de $SU(5)$ e inmediatamente lleven las cargas observadas correctas, es una de las primeras y más importantes razones por las que la gente cree que una Gran Teoría Unificada podría en realidad realizarse en la naturaleza.

Las dos representaciones irreducibles más pequeñas de $SU(5)$ son $5$ (la representación definitoria) y $10$ . (Estos números en negrita indican la dimensión de la representación.) En la asignación estándar, el $5$ contiene los conjugados de carga del triplete de color del quark de tipo abajo derecho y un doblete de isospín leptón zurdo , mientras que el $10$ contiene el seis arriba -componentes de quarks de tipo , el triplete de colores de quarks de tipo abajo de izquierdas y el electrón de derechas . Este esquema debe replicarse para cada una de las tres generaciones conocidas de materia . Es de destacar que la teoría está libre de anomalías en el contenido de esta materia.

Los hipotéticos neutrinos diestros son un singlete de $SU(5)$ , lo que significa que su masa no está prohibida por ninguna simetría; no necesita una ruptura espontánea de la simetría electrodébil que explique por qué su masa sería pesada. ^{[ se necesita aclaración ]} (ver mecanismo de balancín ).

Entonces(10)

El patrón de isospin débil , W, isospin más débil, W', g3 y g8 fuertes, y cargas de barión menos leptón, B, para partículas en la Gran Teoría Unificada SO(10) , rotado para mostrar la incrustación en E 6 .

El siguiente grupo de Lie simple que contiene el modelo estándar es

{\rm {SO(10)\supset SU(5)\supset SU(3)\times SU(2)\times U(1)}}

Aquí, la unificación de la materia es aún más completa, ya que la representación del espinor irreducible $16$ contiene tanto el $5$ como $el 10$ de $SU(5)$ y un neutrino diestro y, por lo tanto, el contenido completo de partículas de una generación del modelo estándar extendido con masas de neutrinos . Este es ya el grupo simple más grande que logra la unificación de la materia en un esquema que involucra solo las partículas de materia ya conocidas (aparte del sector de Higgs ).

Dado que los diferentes fermiones del modelo estándar se agrupan en representaciones más grandes, los GUT predicen específicamente relaciones entre las masas de los fermiones, como entre el electrón y el quark down , el muón y el quark extraño , y el leptón tau y el quark bottom para $SU(5). )$ y $ASI QUE(10)$ . Algunas de estas relaciones de masas se mantienen aproximadamente, pero la mayoría no (ver relación de masas de Georgi-Jarlskog ).

La matriz de bosones para $SO(10)$ se encuentra tomando la matriz $de 15 \times 15 de la representación$ $10 + 5$ de $SU(5)$ y agregando una fila y columna adicionales para el neutrino diestro. Los bosones se encuentran agregando un compañero a cada uno de los 20 bosones cargados (2 bosones W diestros, 6 gluones cargados masivos y 12 bosones tipo X/Y) y agregando un bosón Z neutro extra pesado para formar 5 bosones neutros en total. La matriz de bosones tendrá un bosón o su nuevo compañero en cada fila y columna. Estos pares se combinan para crear las familiares matrices de espinor de Dirac 16D de $SO(10)$ .

mi 6

En algunas formas de teoría de cuerdas , incluida la teoría de cuerdas heteróticas E ₈ × E ₈ , la teoría tetradimensional resultante después de la compactación espontánea en una variedad Calabi-Yau de seis dimensiones se asemeja a una GUT basada en el grupo E 6 . En particular, E ₆ es el único grupo de Lie simple excepcional que tiene representaciones complejas , un requisito para que una teoría contenga fermiones quirales (es decir, todos los fermiones que interactúan débilmente). Por lo tanto, los otros cuatro ( G 2 , F 4 , E 7 y E 8 ) no pueden ser el grupo de calibre de un GUT. ^[^{cita necesaria}^]

Grandes teorías unificadas extendidas

Las extensiones no quirales del modelo estándar con espectros de partículas multipletes divididos en forma de vectores que aparecen naturalmente en los GUT SU(N) superiores modifican considerablemente la física del desierto y conducen a una gran unificación realista (escala de cuerdas) para tres familias convencionales de quarks y leptones. incluso sin usar supersimetría (ver más abajo). Por otro lado, debido a un nuevo mecanismo VEV faltante que emerge en el SU(8) GUT supersimétrico, se puede argumentar la solución simultánea al problema de la jerarquía de calibres (división doblete-triplete) y al problema de la unificación del sabor. ^[8]

GUT con cuatro familias/generaciones, SU(8) : Suponiendo 4 generaciones de fermiones en lugar de 3, se obtiene un total de $64$ tipos de partículas. Estos se pueden poner en $64 = 8 + 56$ representaciones de $SU(8)$ . Esto se puede dividir en $SU(5) \times SU(3) F \times U(1)$ , que es la teoría $SU(5)$ junto con algunos bosones pesados que actúan sobre el número de generación.

GUT con cuatro familias/generaciones, O(16) : Suponiendo nuevamente 4 generaciones de fermiones, las 128 partículas y antipartículas se pueden colocar en una única representación de espinor de $O(16)$ .

Grupos simplécticos y representaciones de cuaterniones.

También se podrían considerar grupos de calibre simplécticos. Por ejemplo, $Sp(8)$ (que se llama $Sp(4)$ en el grupo simpléctico del artículo ) tiene una representación en términos de matrices unitarias de cuaterniones $de 4 \times 4 que tiene una representación real de$ $16$ dimensiones y, por lo tanto, podría considerarse un candidato para una grupo de calibre. $Sp(8)$ tiene 32 bosones cargados y 4 bosones neutros. Sus subgrupos incluyen $SU(4),$ por lo que al menos pueden contener los gluones y el fotón de $SU(3) \times U(1)$ . Aunque probablemente no sea posible tener bosones débiles actuando sobre fermiones quirales en esta representación. Una representación cuaternión de los fermiones podría ser:

{\begin{bmatrix}e+i\ {\overline {e}}+j\ v+k\ {\overline {v}}\\u_{r}+i\ {\overline {u}}_{\mathrm {\overline {r}} }+j\ d_{\mathrm {r} }+k\ {\overline {d}}_{\mathrm {\overline {r}} }\\u_{g}+i\ {\overline {u}}_{\mathrm {\overline {g}} }+j\ d_{\mathrm {g} }+k\ {\overline {d}}_{\mathrm {\overline {g}} }\\u_{b}+i\ {\overline {u}}_{\mathrm {\overline {b}} }+j\ d_{\mathrm {b} }+k\ {\overline {d}}_{\mathrm {\overline {b}} }\\\end{bmatrix}}_{\mathrm {L} }

Una complicación adicional con las representaciones de fermiones por cuaterniones es que hay dos tipos de multiplicación: la multiplicación por la izquierda y la multiplicación por la derecha, que deben tenerse en cuenta. Resulta que incluir matrices de cuaterniones $de 4 \times 4$ diestros e izquierdos equivale a incluir una única multiplicación por la derecha por un cuaternión unitario que agrega un SU(2) adicional y, por lo tanto, tiene un bosón neutro adicional y dos bosones cargados más. Por lo tanto, el grupo de matrices de cuaterniones $4 \times 4$ zurdos y diestros es $Sp(8) \times SU(2),$ que incluye los bosones del modelo estándar:

\mathrm {SU(4,\mathbb {H} )_{L}\times \mathbb {H} _{R}=Sp(8)\times SU(2)\supset SU(4)\times SU(2)\supset SU(3)\times SU(2)\times U(1)}

Si es un espinor con valor de cuaternión, es una matriz hermitiana $de 4 \times 4$ de cuaternión que proviene de $Sp (8)$ y es un cuaternión vectorial puro (ambos bosones de 4 vectores), entonces el término de interacción es: $\psi$ $\ A_{\mu }^{ab}\$ $\ B_{\mu }\$

\ {\overline {\psi ^{a}}}\gamma _{\mu }\left(A_{\mu }^{ab}\psi ^{b}+\psi ^{a}B_{\mu }\right)\

Representaciones de octonion

Se puede observar que una generación de 16 fermiones se puede poner en forma de octonión , siendo cada elemento del octonión un 8-vector. Si las 3 generaciones se colocan en una matriz hermitiana de 3x3 con ciertas adiciones para los elementos diagonales, entonces estas matrices forman un álgebra de Jordan excepcional (Grassmann) , que tiene el grupo de simetría de uno de los grupos de Lie excepcionales ( $F$ ₄ , $E$ ₆ , $E$ ₇ o $E$ ₈ ) según los detalles.

\psi ={\begin{bmatrix}a&e&\mu \\{\overline {e}}&b&\tau \\{\overline {\mu }}&{\overline {\tau }}&c\end{bmatrix}}

\ [\psi _{A},\psi _{B}]\subset \mathrm {J} _{3}(\mathbb {O} )\

Debido a que son fermiones, los anticonmutadores del álgebra de Jordan se convierten en conmutadores. Se sabe que $E$ ₆ tiene el subgrupo $O(10)$ y, por tanto, es lo suficientemente grande como para incluir el modelo estándar. Un grupo de calibre $E$ ₈ , por ejemplo, tendría 8 bosones neutros, 120 bosones cargados y 120 antibosones cargados. Para dar cuenta de los 248 fermiones en el multiplete más bajo de $E$ ₈ , estos tendrían que incluir antipartículas (y también la bariogénesis ), tener nuevas partículas no descubiertas o tener bosones similares a la gravedad ( conexión de espín ) que afectan a los elementos de las partículas. dirección de giro. Cada uno de estos posee problemas teóricos.

Grupos de Más allá de la mentira

Se han sugerido otras estructuras, incluidas las álgebras de Lie 3 y las superálgebras de Lie . Ninguno de estos encaja con la teoría de Yang-Mills . En particular, las superálgebras de Lie introducirían bosones con estadísticas incorrectas ^{[ se necesita aclaración ]} . La supersimetría , sin embargo, encaja con Yang-Mills.

Unificación de fuerzas y el papel de la supersimetría.

La unificación de fuerzas es posible debido a la dependencia de la escala de energía de los parámetros de acoplamiento de fuerzas en la teoría cuántica de campos llamada "ejecución" del grupo de renormalización , que permite que parámetros con valores muy diferentes en energías habituales converjan en un único valor en una escala de energía mucho más alta. ^[2]

Se ha descubierto que el grupo de renormalización que se ejecuta en los tres acoplamientos de calibre en el modelo estándar se encuentra casi, pero no del todo, en el mismo punto si la hipercarga se normaliza de modo que sea consistente con los GUT $SU(5)$ o $SO(10)$ . que son precisamente los grupos GUT los que conducen a una simple unificación de fermiones. Este es un resultado significativo, ya que otros grupos de Lie conducen a normalizaciones diferentes. Sin embargo, si se utiliza la extensión supersimétrica MSSM en lugar del modelo estándar, la coincidencia se vuelve mucho más precisa. En este caso, las constantes de acoplamiento de las interacciones fuerte y electrodébil se encuentran en la gran energía de unificación , también conocida como escala GUT:

\Lambda _{\text{GUT}}\approx 10^{16}\,{\text{GeV}}

Se cree comúnmente que es poco probable que esta coincidencia sea una coincidencia y, a menudo, se cita como una de las principales motivaciones para investigar más a fondo las teorías supersimétricas a pesar de que no se han observado experimentalmente partículas supersimétricas asociadas. Además, la mayoría de los constructores de modelos simplemente asumen la supersimetría porque resuelve el problema de la jerarquía , es decir, estabiliza la masa electrodébil del Higgs contra las correcciones radiativas . ^[9]

Masas de neutrinos

Dado que las masas de Majorana de los neutrinos diestros están prohibidas por la simetría $SO(10)$ , los GUT $SO(10)$ predicen que las masas de Majorana de los neutrinos diestros estarán cerca de la escala GUT donde la simetría se rompe espontáneamente en esos modelos. En los GUT supersimétricos, esta escala tiende a ser mayor de lo que sería deseable para obtener masas realistas de la luz, en su mayoría neutrinos zurdos (ver oscilación de neutrinos ) a través del mecanismo de balancín . Estas predicciones son independientes de las relaciones de masa de Georgi-Jarlskog , en las que algunos GUT predicen otras relaciones de masa de fermiones.

Teorías propuestas

Se han propuesto varias teorías, pero actualmente ninguna es universalmente aceptada. Una teoría aún más ambiciosa que incluye todas las fuerzas fundamentales, incluida la gravitación , se denomina teoría del todo. Algunos modelos GUT convencionales comunes son:

Modelo Pati-Salam : $SU(4) \times SU(2) \times SU(2)$
Modelo de Georgi-Glashow — $SU(5)$ ; y $SU(5)$ volteado - $SU(5) \times U(1)$
modelo $SO(10)$ ; y volteado $SO(10)$ - $SO(10) \times U(1)$
modelo $E6$ ; y Trinificación - $SU(3) \times SU(3) \times SU(3)$
modelo mínimo de izquierda a derecha : $SU(3) C \times SU(2) L \times SU(2) R \times U(1) B - L$
Modelo 331 — $SU(3) C \times SU(3) L \times U(1) X$
color quiral

No del todo GUT:

Nota : Estos modelos se refieren a álgebras de Lie , no a grupos de Lie . El grupo Lie podría ser sólo para tomar un ejemplo aleatorio. $[{\text{SU}}(4)\times {\text{SU}}(2)\times {\text{SU}}(2)]/\mathbb {Z} _{2},$

El candidato más prometedor es $SO(10)$ . ^[10]^[11] (Mínimo) $SO(10)$ no contiene ningún fermión exótico (es decir, fermiones adicionales además de los fermiones del modelo estándar y el neutrino diestro), y unifica cada generación en una única representación irreducible . Varios otros modelos GUT se basan en subgrupos de $SO(10)$ . Son el modelo mínimo de izquierda a derecha , $SU(5)$ , $SU(5)$ invertido y el modelo Pati-Salam. El grupo GUT $E 6$ contiene $SO(10)$ , pero los modelos basados en él son significativamente más complicados. La razón principal para estudiar los modelos $E 6$ proviene de la teoría de cuerdas heteróticas $E 8 \times E 8$ .

Los modelos GUT predicen genéricamente la existencia de defectos topológicos como monopolos , cuerdas cósmicas , paredes de dominio y otros. Pero no se ha observado ninguno. Su ausencia se conoce como el problema monopolar en cosmología . Muchos modelos GUT también predicen la desintegración de protones , aunque no el modelo Pati-Salam. Hasta el momento, la desintegración de protones nunca se ha observado experimentalmente. El límite mínimo experimental sobre la vida útil del protón prácticamente descarta $el SU(5)$ mínimo y limita en gran medida los otros modelos. La falta de supersimetría detectada hasta la fecha también limita muchos modelos.

Decaimiento de protones. Estos gráficos se refieren a las familias del bosón X y del bosón de Higgs .
Desintegración de protones de dimensión 6 mediada por el bosón $X$ en $SU(5)$ GUT $\ (3,2)_{-{\tfrac {5}{6}}}\$
Desintegración de protones de dimensión 6 mediada por el bosón $X$ en $SU(5)$ GUT invertido $\ (3,2)_{\tfrac {1}{6}}\$
$Decaimiento de protones de dimensión 6 mediada por el triplete de Higgs '"`UNIQ--postMath-00000011-QINU`"' y el antitriplete de Higgs '"`UNIQ--postMath-00000012-QINU`"' en SU(5) GUT\$
Desintegración de protones de dimensión 6 mediada por el triplete de Higgs y el antitriplete de Higgs en $SU(5)$ GUT\ $\ T(3,1)_{-{\tfrac {1}{3}}}$ $\ {\bar {T}}({\bar {3}},1)_{\tfrac {1}{3}}$

Algunas teorías GUT como $SU(5)$ y $SO(10)$ sufren lo que se llama el problema del doblete-triplete . Estas teorías predicen que para cada doblete de Higgs electrodébil, hay un campo triplete de Higgs coloreado correspondiente con una masa muy pequeña (muchos órdenes de magnitud más pequeña que la escala GUT aquí). En teoría, unificando quarks con leptones , el doblete de Higgs también quedaría unificado con un triplete de Higgs. Estos tripletes no se han observado. También provocarían una desintegración de protones extremadamente rápida (muy por debajo de los límites experimentales actuales) e impedirían que las fuerzas de acoplamiento del calibre se combinen en el grupo de renormalización.

La mayoría de los modelos GUT requieren una triple replicación de los campos de materia. Como tales, no explican por qué existen tres generaciones de fermiones. La mayoría de los modelos GUT tampoco explican la poca jerarquía entre las masas de fermiones para diferentes generaciones.

Ingredientes

Un modelo GUT consta de un grupo de calibre que es un grupo de Lie compacto , una forma de conexión para ese grupo de Lie, una acción de Yang-Mills para esa conexión dada por una forma bilineal simétrica invariante sobre su álgebra de Lie (que se especifica mediante una constante de acoplamiento para cada factor), un sector de Higgs que consta de una serie de campos escalares que toman valores dentro de representaciones reales/complejas del grupo de Lie y fermiones quirales de Weyl que toman valores dentro de una representación compleja del grupo de Lie. El grupo de Lie contiene el grupo del Modelo Estándar y los campos de Higgs adquieren VEV , lo que lleva a una simetría espontánea que rompe con el Modelo Estándar. Los fermiones de Weyl representan la materia.

Evidencia actual

El descubrimiento de las oscilaciones de neutrinos indica que el modelo estándar está incompleto, pero actualmente no hay evidencia clara de que la naturaleza esté descrita por alguna Gran Teoría Unificada. Las oscilaciones de neutrinos han llevado a un renovado interés hacia ciertos GUT como $SO(10)$ .

Una de las pocas pruebas experimentales posibles de ciertos GUT es la desintegración de protones y también las masas de fermiones. Hay algunas pruebas especiales más para el GUT supersimétrico. Sin embargo, la vida útil mínima de los protones obtenida en la investigación (igual o superior a 10³⁴ ~10^{rango de 35} años) han descartado los GUT más simples y la mayoría de los modelos que no son SUSY. El límite superior máximo de vida útil de los protones (si es inestable) se calcula en 6×10³⁹ años para modelos SUSY y 1,4×10³⁶ años para GUT mínimos no SUSY. ^[12]

Las fuerzas de acoplamiento de calibre de QCD, la interacción débil y la hipercarga parecen coincidir en una escala de longitud común llamada escala GUT y equivalen aproximadamente a 10.¹⁶ GeV (un poco menos que la energía de Planck de 10¹⁹ GeV), lo cual es algo sugerente. Esta interesante observación numérica se llama unificación del acoplamiento de calibre y funciona particularmente bien si se supone la existencia de supercompañeros de las partículas del modelo estándar. Aún así, es posible lograr lo mismo postulando, por ejemplo, que los $modelos SO(10)$ ordinarios (no supersimétricos) rompen con una escala de calibre intermedia, como la del grupo Pati-Salam.

Ultraunificación

En 2020, el físico Juven Wang introdujo un concepto conocido como "ultraunificación". ^[13]^[14]^[15] Combina el modelo estándar y la gran unificación, particularmente para los modelos con 15 fermiones de Weyl por generación, sin la necesidad de neutrinos estériles diestros, agregando nuevos sectores de fase topológica con espacios o nuevos sectores de fase topológica con espacios que interactúan sin espacios. sectores conformes consistentes con la cancelación de anomalía global no perturbativa y las restricciones de cobordismo (especialmente de la anomalía mixta calibre-gravitacional , como una anomalía de clase Z / 16 Z , asociada con el número bariónico menos leptónico B - L y la hipercarga electrodébil Y).

Los sectores de fase topológica con espacios vacíos se construyen mediante la extensión de simetría (en contraste con la ruptura de simetría en el mecanismo de Anderson-Higgs del modelo estándar ), cuya baja energía contiene teorías de campos cuánticos topológicos invariantes de Lorentz (TQFT) unitarias, como las no invertibles de 4 dimensiones, 5 TQFT de fase entrelazada enredada de 5 dimensiones no reversibles o de 5 dimensiones reversibles.

Alternativamente, la teoría de Wang sugiere que también podría haber neutrinos estériles diestros, física sin partículas sin espacios o alguna combinación de teorías de campos conformes (CFT) de interacción más generales, para cancelar en conjunto la anomalía mixta gravitacional de calibre . Esta propuesta también puede entenderse como un acoplamiento del Modelo Estándar (como teoría cuántica de campos) al sector Más allá del Modelo Estándar (ya que los TQFT o CFT son materia oscura ) a través de la fuerza topológica B - L de medición discreta .

Tanto en el escenario TQFT como en el CFT, la implicación es que una nueva frontera de la física de alta energía más allá de la física convencional de partículas de dimensión 0 se basa en nuevos tipos de fuerzas topológicas y de materia. Esto incluye objetos extendidos con espacios, como líneas unidimensionales y operadores de superficie bidimensionales o defectos conformes, cuyos extremos abiertos transportan partículas fraccionadas desconfinadas o excitaciones de cuerdas anyónicas .

Comprender y caracterizar estos objetos extendidos con espacios requiere conceptos matemáticos como cohomología , cobordismo o categoría en física de partículas. Los sectores de fase topológica propuestos por Wang significan una desviación del paradigma convencional de la física de partículas, lo que indica una frontera en la física más allá del modelo estándar.

Ver también

Notas

^ Sin embargo, existen ciertas limitaciones en la elección de cargas de partículas por coherencia teórica, en particular la cancelación de anomalías .

Referencias

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Otras lecturas

Stephen Hawking , Una breve historia del tiempo , incluye una breve descripción popular.
Langacker, Paul (2012). "Gran unificación". Scholarpedia . 7 (10): 11419. Código bibliográfico : 2012SchpJ...711419L. doi : 10.4249/scholarpedia.11419 .

enlaces externos

El álgebra de las grandes teorías unificadas